电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。
很多人以为CCD只是一块芯片而已。但实际上CCD是和处理器做成一个完整的组件(如下图)。
CCD组件
如果切开CCD,会发现CCD的结构就像三明治一样,第一层是微型镜头,第二层是分色滤色片,以及第三层感光汇流片。
1、CCD的第一层是镜头。这是为了有效提升CCD的像素,又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积反而使画质变差。所以开口率只能提升到一定的极限,否则CCD将成为劣质品。为改善这个问题,因此在每一个感光二极管上(单一像素)装置了微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样,感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来,可以同时兼顾单一像素的大小,又可在规格上提高了开口率,使感光度大幅提升。
2、CCD的第二层是分色滤色片,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYG补色分色法,这两种方法各有利弊。不过以产量来看,原色和补色CCD的比例大约在2:1左右。原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此一般采用原色CCD的DC,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感度,一般都可设定在 800以上。(关于这两种分色方式见下图)
分色图
3、CCD的第三层是感光汇流片,这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。
以上就是关于CCD的基本结构及工作原理的内容介绍,您是否对CCD又有了新的认识。